两电平STATCOM开关器件开路故障定位方法与流程

本发明涉及一种两电平STATCOM开关器件开路故障定位方法，属于逆变器故障诊断领域。

背景技术：

逆变器在工业生产中的应用越来越广泛。逆变器必然要用到高开关频率的功率开关器件。据一项来自80个公司超过200份调查的统计，功率器件故障占据变频器故障的60％以上，因此对故障功率器件进行快速的定位，对于逆变器至关重要。

目前已经有了很多逆变器功率器件故障诊断方法，以电流检测最为常用，如PARK矢量法、电流矢量轨迹法等。然而这些方法只适用与变频调速系统，不适用于STATCOM(静止同步补偿器)，原因是因为变频调速系统其交流侧接的是电机，属于感性负载。但对于STATCOM，要工作在感性和容性两种工况下，故这些判断方法的可靠性难以保证。功率开关器件开路故障包括IGBT开路和续流二极管开路两类，由于上管IGBT和下管二极管的电流方向始终一致，故上述基于电流量的诊断方法还无法进一步区分IGBT和二极管的开路故障。因此功率器件故障判断难度很大，值得研究。

技术实现要素：

针对上述技术中的不足之处，提供一种步骤简单，定位准确效率高的两电平STATCOM开关器件开路故障定位方法。

为实现上述技术目的，本发明的两电平STATCOM开关器件开路故障定位方法，包括以下步骤：

步骤一、采集两电平STATCOM开关器件上的模拟量信号，利用电流互感器采集STATCOM三相输出电流il(k),(l∈(a,b,c))，利用互感器采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))，其中il(k)为STATCOM的l相输出电流，ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压；

步骤二、将获取的每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期平均分成四个区间：区间Ⅰ、区间Ⅱ、区间Ⅲ、区间Ⅳ，四个区间的三相网侧电压分别与三相输出电流相匹配，获得与三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV，利用三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV获得STATCOM主回路开关的三相正半波的无功功率Ql⁺和三相负半波的无功功率Ql^-；

步骤三、根据STATCOM主回路开关的三相正、负半波的无功功率Ql⁺,Ql^-提取故障特征值Sl^m，得到的6个故障特征值Sl^m都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况；

步骤四、根据得到的6个特征值Sl^m判断故障所在相，当6个特征值Sl^m任一特征值出现在预设的阈值区间内时，则通过出现在阈值区间内的特征值Sl^m判断当前特征值对应的相故障，否则返回步骤一；

步骤五、利用一个检测周期四个区间的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，利用故障相l的电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))进一步判断具体是故障相上的IGBT开路或是续流二极管开路故障。

所述每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期分成的四个区间，分别为网侧电压相位90～180度的区间I，180～270度的区间II，270～360度的区间III，0～90度的区间IV。

所述三相正半波的无功功率Ql⁺和三相负半波的无功功率Ql^-通过公式：获得，并且利用如下公式计算STATCOM每相正负半波的无功功率：

式中：k为采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))的第k个采样点,il(k),(l∈(a,b,c))为与三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))同时刻采样的三相电流值，每个周期采样点数为N，为4的倍数；

所述故障特征值Sl^m利用公式：和

计算得到6个故障特征值Sl^m都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况，其中m为区分上下开关管的特征量，即m＝+，Sl⁺对应上管IGBT和下管二极管；同理，m＝-,Sl^-对应下管IGBT和上管二极管。

所述设定故障特征值Sl^m判断故障所在相的阈值α＝0.2，β＝-0.2，当满足β<Sl^m<α条件时，判定l(l∈(a,b,c))相故障；

当无故障时，所述6个故障特征值Sl^m的值在感性工况下近似为1，故障特征值Sl在容性工况下近似为-1；发生开关管开路时，该开关管对应的故障特征值Sl^m的值接近0，因此，为了保证正确性应当将阈值设置的尽可能小，但较小的阈值又会导致负载突变时的误诊，使用本方法设置的阈值，诊断方法不在受到负载突变的影响。

若-0.2<Sl⁺<0,判断两电平STATCOM开关器件此时为容性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若-0.2<Sl^-<0,判断两电平STATCOM开关器件此时为容性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；若0<Sl⁺<0.2,判断两电平STATCOM开关器件此时为感性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若

0<Sl^-<0.2,判断两电平STATCOM开关器件此时为感性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路。

利用公式：计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，并为无功功率差dlx的阈值区间设定感性容性阈值γ＝0，利用下表：

来进一步判断IGBT开路或是续流二极管开路完成诊断。

有益效果：本申请通过采集静止同步补偿器主回路开关器件的三相输出电流和电压信号，并通过三相输出电流和电压信号获得无功功率，利用无功功率获得故障特征值通过故障特征值的阈值区间判断出静止同步补偿器主回路开关器件的故障原件，步骤简单，检测准确效率高，不受负载突变的影响，可靠性高，解决了现有方法难以区分IGBT和二极管开路故障的难题

附图说明

图1为本发明的三相四线制两电平STATCOM电气拓扑图。

图2为本发明的发生a相上管二极管开路时，特征值Fl^m与负荷率的曲线图。

图3为本发明的发生a相下管IGBT开路时，特征值Fl^m与负荷率的曲线图。

图4为本发明的感性工况下，发生a相上二极管开路，及上管IGBT开路时，da1与负荷率的曲线图。

图5为本发明的容性工况下，发生a相上二极管开路，及上管IGBT开路时，da0与负荷率的曲线图。

图6为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对一个实施例做进一步说明：

如图1和图6所示，本发明的两电平STATCOM开关器件开路故障定位方法，其包括以下步骤：

步骤一、采集两电平STATCOM开关器件上的模拟量信号，利用电流互感器采集STATCOM三相输出电流il(k),(l∈(a,b,c))，利用互感器采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))，其中il(k)为STATCOM的l相输出电流，ul(k)为与il(k)同时刻采样的该相网侧电压；

步骤二、将获取的每相l(l∈(a,b,c))网侧电压的一个检测周期平均分成四个区间，所述四个区间分别为网侧电压相位90～180度的区间I，180～270度的区间II，270～360度的区间III，0～90度的区间IV，四个区间的三相网侧电压分别与三相输出电流相匹配，获得与三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV，利用三相网侧电压四个区间分别对应的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV获得STATCOM主回路开关的三相正半波的无功功率Ql⁺和三相负半波的无功功率Ql^-；所述三相正半波的无功功率Ql⁺和三相负半波的无功功率Ql^-通过公式：获得，并且利用如下公式计算STATCOM每相正负半波的无功功率：

式中：k为采集交流侧电网三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))的第k个采样点,il(k),(l∈(a,b,c))为与三相电压ul(k),(l∈(a,b,c))同时刻采样的三相电流值，每个周期采样点数为N，为4的倍数；

步骤三、根据STATCOM主回路开关的三相正、负半波的无功功率Ql⁺,Ql^-提取故障特征值Sl^m，得到的6个故障特征值Sl^m都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况；

步骤四、根据得到的6个特征值Sl^m判断故障所在相，当6个特征值Sl^m任一特征值出现在预设的阈值区间内时，则通过出现在阈值区间内的特征值Sl^m判断当前特征值对应的相故障，否则返回步骤一；

步骤五、利用一个检测周期四个区间的无功功率QlI、QlII、QlIII、QlIV计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，利用故障相l的电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))进一步判断具体是故障相上的IGBT开路或是续流二极管开路故障。

所述故障特征值Sl^m利用公式：和

计算得到6个故障特征值Sl^m都分别对应一个IGBT或二极管的工作状况，其中m为区分上下开关管的特征量，即m＝+，Sl⁺对应上管IGBT和下管二极管；同理，m＝-,Sl^-对应下管IGBT和上管二极管。

如图2及图3所示，所述设定故障特征值Sl^m判断故障所在相的阈值α＝0.2，β＝-0.2，当满足β<Sl^m<α条件时，判定l(l∈(a,b,c))相故障；

当无故障时，所述6个故障特征值Sl^m的值在感性工况下近似为1，故障特征值Sl在容性工况下近似为-1；发生开关管开路时，该开关管对应的故障特征值Sl^m的值接近0，因此，为了保证正确性应当将阈值设置的尽可能小，但较小的阈值又会导致负载突变时的误诊，使用本方法设置的阈值，诊断方法不在受到负载突变的影响。

若-0.2<Sl⁺<0,判断两电平STATCOM开关器件此时为容性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若-0.2<Sl^-<0,判断两电平STATCOM开关器件此时为容性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路；若0<Sl⁺<0.2,判断两电平STATCOM开关器件此时为感性工况，l相上管IGBT或下管续流二极管开路；若

0<Sl^-<0.2,判断两电平STATCOM开关器件此时为感性工况，l相下管IGBT或上管续流二极管开路。

如图4和图5，利用公式：计算故障相l电流1/4周期无功功率差dlx(x＝0,1；l∈(a,b,c))，并为无功功率差dlx的阈值区间设定感性容性阈值γ＝0，利用下表：

来进一步判断IGBT开路或是续流二极管开路完成诊断。